Empirische Studie zum Wirkungsgrad: Ein Vergleich zwischen sitzendem und stehendem Fahren auf dem Fahrradergometer
Verfasser: Johannes Joachim Richard Will
Betreuerin: Dr. Martina Clauß
Gutachterinnen: Dr. Martina Clauß Dr. Anna Katharina Dunst
Datum: 11.02.2025
# Beispiel-Abbildung erstellen ggplot(df_spiro_beispiel, aes(x = t_s)) + geom_line(aes(y = `V'O2`), color = "#1CADE4", size = 1) + geom_line(aes(y = `V'CO2`), color = "#EF5350", size = 1) + scale_x_continuous(limits = c(0, max(df_spiro_beispiel$t_s)),breaks = seq(0, max(df_spiro_beispiel$t_s), 100), expand = c(0, 0)) + scale_y_continuous(limits = c(0, 5),breaks = seq(0, 5, 1.0), labels = function(x) sprintf("%.1f", x)) + labs(x = "Zeit [s]", y = "V̇O₂ & V̇CO₂ [l · min⁻¹]") + theme_minimal()
# Excel-Datensatz laden und darstellen Stichprobe_df <- read_excel("Probanden_Daten 2.2.xlsm", sheet = "Stichprobe_final", range = "A1:Y10") %>% mutate(across(everything(), ~gsub(",", ".", .))) %>% mutate(across(-2, as.numeric)) %>% mutate(across(c(8, 10, 13, 15, 17, 19, 21, 23), ~round(., 2))) datatable(Stichprobe_df, options = list(scrollX = TRUE, scrollY = "240px", dom = 't', order = list(list(0, 'asc')), initComplete = JS("function(settings, json) {$(this.api().table().container()).css({'font-size': '70%'});}")), rownames = FALSE)
Sehr hohe Reproduzierbarkeit der Analysen und der Ergebnisse
→ Wirkungsgrad ein leistungsdeterminierender Parameter → Fahren im Stehen eine energetisch gleichwertige Alternative?
Biomechanische Unterschiede:
Veränderte Muskelaktivierung:
Intensitätsabhängige Effekte:
\[ \scriptsize \text{η} = \frac{\text{W}_{mech} + \text{W}_{Int}}{\text{W}_{metabolisch}} \]
Metabolische Arbeit
Mechanische + Innere Arbeit
η
→
≈
10-30%
\[ \scriptsize \text{η}_{Brutto} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Aerob}} \]
Mechanische Arbeit
ηBrutto
19-22%
\[ \scriptsize \text{η}_{Netto} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Aerob} - \text{W}_{Ruhe}} \]
ηNetto
19-24%
\[ \scriptsize \text{η}_{Total} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe}} \]
ηTotal
? %
\[ \scriptsize \text{η}_{Arbeit} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe} - \text{W}_{Leerbewegung}} \]
ηArbeit
21-30%
\[ \scriptsize \text{η}_{muskulär} = \frac{\text{W}_{mech} + \text{W}_{Int}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe}} \]
ηmuskulär
27-34%
Aerobe Energiekomponente
WAerob
Anaerobe-laktazide Energiekomponente
WBLC
Anaerobe-alaktazide Energiekomponente
WPCr
Messung des Sauerstoffvolumenstrom in Ruhe \(\dot{V}O_{2, Ruhe}(t)\) mittels Spirometrie und des kalorischen Äquivalents (kÄ) anhand des individuell gemessenen RQ (t)
Berechnung von WAerob:
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2,Netto}(t) = \dot{V}O_{2,Belastung}(t) - \dot{V}O_{2,Ruhe}(t) \\ \scriptsize W_{Aerob} = \overline{\dot{V}O_{2,Netto}} \cdot \overline{kÄ}_{Bel} \cdot t \]
\[ \scriptsize \!\begin{aligned} \text{Grundumsatz:} \rightarrow h_{f, m}\,[kcal] &= \begin{cases} h_{f} = 655.1 + (9.563 \cdot M) + (1.850 \cdot L) - (4.676 \cdot A)\\ h_{m} = 66.5 \,+ (13.75 \cdot M) + (5.003 \cdot L) - (6.775 \cdot A) \end{cases} \end{aligned} \]
\[ \scriptsize \!\begin{aligned} \text{Ruheumsatz:} \rightarrow RMR_{f, m}\,[l \cdot min^{-1}] &= \begin{cases} RMR_{f} = \left( \frac{h_{f}}{24 \, \cdot 60 \cdot kÄ} \right) \cdot 4.1868 \cdot 1.278\\ RMR_{m} = \left( \frac{h_{m}}{24 \cdot 60 \cdot kÄ} \right) \cdot 4.1868 \cdot 1.287 \end{cases} \end{aligned} \]
\[ \scriptsize W_{BLC} \, [\text{kJ}] = \frac{ BLC_{Netto} \, [\text{mmol} \cdot \text{l}^{-1}] \cdot 3.0 \, [\text{ml O}_2 \cdot \text{kg}^{-1} \cdot \text{mmol}^{-1} \cdot \text{l}] \cdot \text{Körpermasse} \, [\text{kg}] \cdot kÄ_{\text{KH}} \, [\text{J} \cdot \text{ml}^{-1} \,\text{O}_2] }{1000} \]
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A \cdot e^{-(t / \tau)} + C \]
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC, slow}\,(t) = A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]
\[ \scriptsize \text{Mechanische Gesamtarbeit}\,\text{(W}_{mech,Tot}\text{)} = \text{Mechanischen Arbeit}\,\text{(W}_{mech}\text{)} + \text{Innere Arbeit}\,\text{(W}_{Int}\text{)} \]